Modellazione di reattori non ideali. Corso di ReattoriTrieste, 28 January, 2014 - slide 2...
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Modellazione di reattori non ideali
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 2
Modellazione di rettori realiObiettivo e sempre lo stesso: Prevedere conversione e concentrazioni in reattori
reali
RTD è sufficiente se La reazione è del primo ordine Il fluido si trova in condizione di completa segregazione Il fluido si trova in condizione di massima miscelazione
Per situazioni di reazioni non del primo ordine con un buon micromixing, SERVE qualcosa di più che la RTDServe un modello per la fluidinamica del reattore
La scelta del modello è empirica … e creativaRtd + Cinetica + Modello = Previsione
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 3
Modellazione di reattori con RTDZERO parameteri aggiustabili Modello a flusso segregato Modello a massima miscelazione
UN parametero aggiustabile Modello dei tank in serie Modello della dispersione
DUE parameteri aggiustabili (reattori reali come combinazione di reattori ideali)
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 4
Linee guide per la modellazione di reattori non ideali
Il modello deve descrivere in modo realistico le caratterisitiche del reattore realeIl modello deve fittare i dati matematicamente flessibileIl modello deve avere capacità estrapolanti solida base teorica … e quindi non deve avere più di due parametri aggiustabili
Modelli ad un parametroParametro determinato dalla RTD
PFR non idealiReattori Ideali: (i) Profilo di velocità piatto e (ii) no mixing assiale
CSTR non idealiReattori ideali: (i) uniformità di conc. e (ii) assenza di zone morte e bypass
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 6
Modello per PFR: Tank in serieIl modello è un certo numero di tank in serie. Il parametro è n. (numero dei tanks)
Calcolare la concentrazione del tracciante all’uscita dei CSTR in
funzione di t Approccio modulare sequenziale
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 7
Modello dei Tanks-in-serie
Per 3 tank:
Per un singolo CSTR, bilancio materia (V = V1 = V2 = V3; = 1 = 2 =
3)
11
1 vCdt
dCV
tV
vteCeCC
001
212
2 vCvCdt
dCV
Sul primo reattore:
Sul secondo reattore :
323
3 vCvCdt
dCV Sul terzo reattore :
t
etC
C
02
t
etC
C
2
20
3 2La frazione di materiale che lascia il sistema dei 3 reattori e che ha stazionato nel sistema per il tempo t et + t è:
0 3
3
0
3
)(
)()()(
dttC
ttC
N
ttvCttE
0 3
3
)(
)()(
dttC
tCtE
Impulso
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 8
t
etC
C
2
20
3 2
0 3
3
)(
)()(
dttC
tCtE
0 30 300
)()( dttC
V
dttCv
V
NC
0 3
2
20 3
0 3
2
20
)(
2
)(
)(
2)(dttC
et
dttC
dttC
etC
tE
tt
t
et
tE
3
2
2)(
t
n
n
en
ttE
)!1()(
1n tanks-in-serie
adimensionale
n
tt
total
nn
en
nnE
)!1(
)()(
1
Quanti tank in serie sono necessari?
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 9
Il numero dei tanks in serie è determinato dai dati sul tracciante:
0
22 )()( dttEtt m
0
22 )()1()( dE
000
22 )()(2)()( dEdEdE
= 1= 1
1)!1(
)()(
0
122
den
nn nn
nn
en
nnE
)!1(
)()(
1
nn
n
n
nde
n
nn
nnn
n 11
)!1(
)!1(1
)!1()(
20
12
2
2
2)(
1
n È il numero di n tanks ideali in serie per modellare il
reattore reale.
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 10
Modello per PFR: tank in serie
nn
en
nnE
!1
1
t
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 11
Tank in serieIntegrando per n reattori in serie si ottiene n
Per una reazione del primo ordine
Per reazioni del primo ordine n può non essere intero e calcolo X
Per reazioni diverse dal primo ordine (o per reazioni multiple) si deve risolvere la sequenza di equazioni
Per reazioni diverse dal primo ordine devo usare un intero: approssimo n calcolato a intero e calcolo X (o Conc.) in sequenza a partire dal primo tank (uscita tank i è ingresso tank i+1)
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 12
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 13
Modello per PFR: Modello a dispersione
Dispersione assiale (analogia con legge di Fick)Il parametero nel modello è il coefficiente di dispersione Da
E’ forse il più usato --> il Da si ottiene da un esperimento con tracciante ad impulsoDopo l’impulso il materiale diffonde in tutte le direzioni
L’equazione di riferimento deriva da bilancio di materia:
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 14
Modello a dispersioneFlusso molare per dispersione + bulk flow (con Da coefficiente efficacie di dispersione):
Bilancio di moli sul tracciante:
Combinando:
Sono prese in considerazione solo variazioni assiali, ma si vedrà che questo modello va bene anche per altre …Consideriamo due tipi di reattori: laminare e turbolento
TcT
caT CUAz
CADF
t
CA
z
F Tc
T
t
C
z
UC
z
CD TTTa
2
2
t
C
z
UCz
CD
TT
Ta
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 15
Dispersione con flusso laminareProfilo velocità per flusso laminare
RTD per flusso laminare (ricavata in precedenza)
NB: la RTD è ottenuta non considerando transfer radiale e assiale: teniamone conto
2
12R
rUru
22
20
3
2
tpert
U
Ltper
tE
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 16
Modello a dispersione: moto laminare
Determinazione del coefficiente di dispersione (componenti assiale e radiale) per moto laminare:
Se alcune molecole saltano (diffondono) radialmente allora la RTD sarà diversaInoltre molecole possono anche diffondere assialmente
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 17
Dispersione con flusso laminareSviluppo di Brenner e Edwards per la determinazione di Da (Aris-Taylor dispersion coeff.). Si parte dalla equazione di trasporto convettivo per il tracciante:
con
cambio variabile (solidale con il moto del fluido al centro)
... e risoluzione dell eq. differenziale per c(r) e sostituzione nella eq. che da la conc. assiale media:
2
21
z
c
r
rcr
rD
z
cru
t
cAB
Utzz
tzrcc ,,
R
rdrtzrcR
tzC0
22,,
1,
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 18
Dispersione con flusso laminareLa soluzione che descrive la variazione della concentrazione media assiale nel tempo e nello spazio (dettagli sul testo) è:
con
Valori di D* vedi grafico 14-5 (prossima slide)
2
2
z
CD
z
CU
t
C
TaylorArisdiedispersiondicoeffDD
RUDD a
ABAB .
48
22
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 19
Dispersione con flusso laminare
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 20
Dispersione con flusso turbolento
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 21
Dispersione in letti impaccati
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 22
Determinazione sperimentale di Da
Può essere determinato da un impulso di tracciante misurando e dalla RTDDall’equazione base
In forma adimensionale
t
C
z
UC
z
CD TTTa
2
2
L
tU
L
z
C
C
T
T ,0
aD
Ul
edispersionediffusionepertrasportodivelocità
convezionepertrasportodivelocitàPe
2
21
rPe
Reactor Per = n. Bodenstein con L riferita al reattore
Fluid Pef con L riferita al flusso (dp)
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 23
RTD per la determinazione di Da
Si può determinare il numero di Peclet dalla risposta del tracciante Per farlo dobbiamo integrare l’equazione e trovare la
relazione tra Pe e RTD
Ci sono due condizioni al contorno distinte Recipiente chiuso – chiuso: nessuna dispersione assiale in
ingresso Recipiente aperto – aperto: dispersione assiale Situazione intermedia (chiuso – aperto)
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 25
Condizioni al contorno:
(1) Recipiente chiuso - chiuso
x = 0 x = L
Da = 0 Da = 0Da > 0
ad x = 0
),0(),0( tFtF TT
0
),0(),0(xc
TaTcTc A
x
CDtCUAtCUA
00 ),0(),0(
xTa
TT x
C
U
DtCtC
a x = L
)()( LCLC TT
0x
CT
a t = 0 ed x > 0
0)0,0( TC
BC di Danckwerts
in forma adimensionalea = 0
a = 1
0
r00
0
Pe
1),0(),0( T
T
T
T
T
TCC
C
tC
C
tC
rPe
11
0
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a t = 0 0)0,0( TC
a = 0
a = 1
rPe
11
0
2
2
rPe
1B.C.
Per un input ad impulso, la massa di sostanza iniettata è:
0
),0( dttCUAM Tc
Come ottenere Pe?
Il tempo di residenza medio tm =
)1(22
)()(1
20
222
2rPe
rrm
m
ePePe
dttEttt
Da esperimenti
Bischoff e Levenspiel, 1963
La PDE può essere risolta analiticamente. La soluzione è:
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 27
Recipiente chiuso - chiusoSi può risolvere per la funzione E:
L’equazione di riferimento in concentrazione si può integrare numericamente e si ottiene
A causa della dispersione il tempo di residenza medio è maggiore dello space time: molecole possono fluire fuori dal reattore e poi diffondere indietro (vedi schema prossima slide).Pe può essere determinato da correlazioni con Reynolds e Schmidt Vedi figure precedenti
Si può usare RTD per calcolare tm, , e quindi Pe e da questo Da.
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 28
Curve Conc. tracciante per vari valori di Da
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 29
Determinazione sperimentale di Da:
condizione al contorno aperto - aperto
Ipotesi Non ci sono variazioni di Da nel reattore Impulso tracciante a z=0
Aperto - aperto: condizioni al contorno
tLUC
z
CDtLUC
z
CD
tLCtLCLzper
tCtC
tUCz
CDtUC
z
CDzper
TLz
TaT
Lz
Ta
TT
TT
Tz
TaT
z
Ta
,,
,,
,0,0
,0,0000
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 30
Determinazione sperimentale di DaPer Pe > 100 per tubi lunghi (grad. Conc. Uscita = o) la soluzione all’uscita è:
dalla soluzione (tm per sistema aperto > sistema chiuso):
in pratica: se conosco (noto da misure di V e v°) determino tm e 2 da RTD e
trovo Pe e quindi Da da (2) ((1) è meno accurata) se non conosco (in genere a causa di zone morte oltre alla
dispersione) calcolo tm e 2 come sopra, risolvo (1) per e sostituisco in (2) per trovare Pe. Noto Pe trovo da (1) e quindi V. Il volume morto è la differenza tra volume calcolato con RTD e misurato.
121
rm Pet 2
8222
2
rr PePe
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 31
Flusso, reazione e dispersioneDopo aver determinato Da, torniamo al problema di reazione e dispersione contemporaneiUn bilancio di massa in stato stazionario:
z = 0 z = L
Ac
z z+z
U
0 cAA Ar
dz
dF0 zArAFAF cAczzAczA
dz
dCDUCF AaAA
02
2
U
r
dz
dC
dz
Cd
U
D AAAaAA kCr 0
2
2
U
kC
dz
dC
dz
Cd
U
D AAAa
01
2
2
ar
Dd
d
d
d
Pe
0A
A
C
C
L
z adimensionale
Dove Da è il numero di Damköhler per convezione
10
10
nA
nA kCU
LkC
convezioneperAditrasportodivelocità
reazioneperAdiconsumodivelocitàDa
Eq. differenziale II ordine non lineare se reazione non di ordine 0 o 1
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 32
Flusso, reazione e dispersioneQuindi partendo da
Se consideriamo un sistema chiuso – chiuso (condizioni al contorno di Danckwerts)
01
2
2
DaPer
a = 0 a = 1
d
d
rPe
11 0
dd
La O.D.E. è risolta:
2exp)1(
2exp)1(
2exp4
220 rr
r
A
A
Peq
qPeq
Peq
C
C
r
a
Pe
Dq
41
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 33
Flusso, reazione e dispersione
Si può calcolare la conversione per z=L (=1):
Per reazioni diverse dal primo ordine bisogna risolvere numericamente con tecniche iterative (split-boundary-value problem)
2222
2
11
41 qPeqPe
Pe
rr
r
eqeq
eqX
rPe
Daq
41
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 34
Tank in serie vs. DispersioneUtilizzando la varianza della RTD si possono usare entrambi i modelliEntrambi i modelli per reazioni del PRIMO ordine sono semplici da utilizzareIl modello dei tank in serie è più semplice per reazioni di ordine diverso dal primo e per reazioni multiple.I modelli hanno diversa accuratezza, sono uguali se:Bo (Bodenstein n.) = UL/D = 2(n-1)
Altri modelli ad un parametro sono disponibili: PFR + CSTR in serie con f= frazione (in volume) di reattore
che si comporta come PFR Frazione di fluido che bypassa il reattore ideale
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 35
La reazione del I ordine: è condotta in un reattore tubolare di 10-cm- di diametro e lungo 6.36 m. La costante di reazione è di 0.25 min-1. Il risutato di un test con tracciante sul reattore fornisce I seguenti risultati (concentrazione del tracciante in funzione del tempo):
BA
t (s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14C (mg/l) 0 1 5 8 10 8 6 4 3 2.2 1.5 0.6 0
Calcolare la conversione con (a) modello a dispersione a recipiente chiuso; (b) PFR; (c) modello tanks-in-serie; (d) CSTR singolo
Modello dispersione recipiente chiuso-chiuso:
C(t)
0
22 )()( dttEtt m
0)(
)()(
dttC
tCtE
E(t)
0)( dtttEtm
tm 2
20
222
2 82)()(
1
rrm
m PePedttEtt
t
tm = )1(22
)()(1
20
222
2rPe
rrm
m
ePePe
dttEttt
rm Pet
21Modello dispersione
recipiente aperto-aperto
Confronta con:
Confronto tra tank in serie e dispersione
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 36
(a) Modello a dispersione recipiente chiuso
)1(22
22
2rPe
rrm
ePePet
2exp)1(
2exp)1(
2exp4
)1(220 rr
r
A
A
Peq
qPeq
Peq
XC
C
r
a
Pe
Dq
41
Per viene da: Per = 7.5
Serve Da: Da = 1.29
Si ottiene X = 0.68
(b) PFR ideale
)(0 AA r
dX
F
dV
AA kC
dX
C
vd
0
)1(00 XkC
dX
C
d
AA
aDk eeX 11
Si ottiene X = 0.725
10
10
nA
nA kCU
LkC
convezioneperAditrasportodivelocità
reazioneperAdiconsumodivelocitàDa
Confronto tra tank in serie e dispersione
q = 1.3
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 37
(c) Modello tanks-in-serie
35.4)(
12
2
2
nNumero di tanks necessari:
Conversione per n tanks-in-serie:
nn
i kn
kX
)1(
11
)1(
11
Si ottiene X = 0.677
(d) CSTR singolo
nn
i kn
kX
)1(
11
)1(
11
n = 1563.0X
Confronto tra tank in serie e dispersione
Modellazione di CSTR non ideali: modelli a due parametri
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 39
Modelli a due parametri: introduzione
Reattori reali modellati come combinazione di reattori ideali: numerose configurazioni disponibiliCorrettezza della configurazione scelta e determinazione dei parametri ottenute tramite tracer testNon strettamente necessario calcolare la funzione E(t) di distribuzione del tempo di residenza: le grandezze richieste possono essere acquisite direttamente da misure di concentrazione sull’effluente in un tracer testConfronto tra i dati predetti dallo sviluppo del modello e quelli ottenuti dal tracer test Dati accettati se situati entro limiti dettati dall’esperienza
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 40
Modelli per CSTR realiMolto utilizzati: CSTR con bypass e volume morto CSTR con scambio di volume
Altre configurazioni: due CSTR con interscambio reciproco e uscita dall’alto due CSTR con interscambio reciproco e uscita dal basso
Naturalmente esistono anche i modelli che descrivono PFR e PBR reali
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 41
CSTR con bypass e volume morto - 1
Parametri: = frazione di volume ben miscelata = frazione di portata volumetrica bypassata
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 42
Zone morta
Bypass Vd = (1-)V
Vs = V
CA0
CA0 CAs
v0
vb= v0
vs= (1-)v0
v0Reazione del I ordine: BA
Bilancio di moli specie A al punto di giunzione:
)(0 sbAsAsbA vvCvCvC
CA
Bilancio di moli specie A nel reattore: 00 sAssAssA VkCvCvC
Assumendo
V
Vs0v
vbk
vV
XC
C
A
A
0
2
0 )1(
)1(1
Vogliamo determinare il valore di questi due parametri (dalla RTD).
CSTR con bypass e volume morto - 2
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 43
CSTR con bypass e volume morto - 3
Noti i parametri e si determina XIl tracer test permette di determinare i parametri del modelloLo schema dell’apparecchiatura per le prove sperimentali è lo stesso del modello teorico: si alimenta, considerando stato non stazionario, il tracciante T invece che il reagente ASi utilizza un tracer test con step input positivo
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 44
Per un’iniezione di tracciante T (input gradino postivo), il bilancio di massa in stato non stazionario su T nel Vs è:
Vd = (1-)V
Vs = V
CT0
CT0 CTs
v0
vb= v0
vs= (1-)v0
v0
CT
dt
dCVCvCv TssTssTs 0
bTsTsT vCvCvC 00
Iniezione (B.C.):
0tC
ttC
TT
0
00)(
V
Vs0v
vbdt
dCVCvCv TssTssTs 0
dt
dCvCvCv Ts
TsT 0000 )1()1( 0v
V
t
C
C
T
Ts 1exp1
0
bTsTsT vCvCvC 00
t
C
C
T
T 1exp)1(1
0
CSTR con bypass e volume morto - 4
Bilancio al punto di giunzione
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 45
CSTR con bypass e volume morto - 5
L’equazione in forma esponenziale per CT/CTO si traduce in forma logaritmica per dare ln[CTO/(CCTO- C- CT))] in funzione di tSe il modello assunto è corretto, si otterrà una retta di pendenza (1-)/ e intercetta ln[1/(1- )]Da questi ultimi dati si ricavano le informazioni chiave (VS e vS) per la risoluzione del problema (i.e. determinazione di X modello)
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 46
Vd = (1-)V
Vs = V
CT0
CT0CTs
v0
vb= v0
vs= (1-)v0
v0
CT
La reazione elementare è condotta in un CSTR con bypass e zona morta. Il volume misurato del reattore è di 1 m3 e la portata al reattore di 0.1 m3/min. La costante di reazione è di 0.28 m3/kmol.min. La carica è equimolare in A e B con una concentrazione entrante di A di 2.0 kmol/m3. I dati di un tracciante in output per il reattore sono riportati in tabella. Calcolare la conversione nel reattore.
DCBA
t (min) 4 8 10 14 16 18CT (mg/l3) 1000 1333 1500 1666 1750 1800
t
C
C
T
T 1exp)1(1
0
t
CC
C
TT
T 1
1
1lnln
0
0
TT
T
CC
C
0
0ln
t
= 0.7 = 0.2
CT0 = 2000
Esempio: CSTR con zone morte e bypass
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 47
Calcolo dalla conversione con un modello a due parametri:
00 sBsAssAssA VCkCvCvCBilancio di moli sul volume del reattore:
BsAs CC
020 sAssAssA VkCvCvCk
kCC
s
AsAs
2
411 0 s
ss v
V
Bilancio di moli per specie A al punto di giunzione:
00 vCvCvC AsAsbA Ass
As
A Cv
vC
v
vvC
00
0
0
Combinando:
k
kC
v
vC
v
vvC
s
AssA
sA
2
411 0
00
0
0
7.0V
Vs2.00
v
vbs
ss v
VDa , si ottengono i valori di vs, s
979.0AC 51.0X Confronta con CSTR ideale, X = 0.66
Esempio: CSTR con zone morte e bypass
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 48
v0
CSTR 1
CA1
V1
CSTR 2
CA2
V2
v1
v1
v0
CA1
VV 1
01 vv V
v0
v0
Bilancio moli sul reattore 1: 01111011200 VrvCvCvCvC AAAAA
Bilancio moli sul reattore 2: 0221211 VrvCvC AAA
Reazione del primo ordine: 11 AA kCr 22 AA kCr
Equazioni vanno risolte assieme: 2
2
0
1
)1()1(
)1()(1
kk
kk
C
CX
A
A
Vogliamo determinare i valori di and (utilizzando la RTD)
0v
V
Un CSTR reale modellato con due CSTR-ideali con interscambio
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 49
Una iniezione di traccciante a t = 0 è usata per determinare il valore dei due parametri:
Bilancio moli sul reattore 1: dt
dCVvCvCvC T
TTT1
1011112
Bilancio moli sul reattore 2: dt
dCVvCvC T
TT2
21211
0v
VVV 101 vv Abbiamo anche che:
dt
dCCC TTT
112 )1(
dt
dCCC TTT
221 )1(
Equazioni usate per determinare il valore di e !Si usano metodi numerici (pag 987)
Un CSTR reale modellato con due CSTR-ideali con interscambio
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 50
CSTR con interscambio
Reattori non ideali in ASPEN plus
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 52
Comportamento non idealeAlcune ragioni per un comportamento non ideale Volumi morti Corto circuiti e by pass Regioni stagnanti Channeling
Tutti questi fenomeni possono essere modellati con reattori ideali Nell’ipotesi di perfetto miscelamento nei reattori.
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 53
Reattori MultiFase
Feeds
Vapor Product
Liquid Product
Heating or Cooling
Feeds
Vapor Product
Liquid Product
Heat Stream
RCSTR FLASH2
P=0Q=0
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 54
Reattori MultiFase
Feeds
Vapor Product
Liquid Product
Heating or Cooling
Vapor Product
Liquid Product
CoolantStream
RPLUG FLASH2
P=0Q=0
FeedsMIXER
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 55
CSTR a 2 fasi con partizioni orrizzontali
Feeds
Vapor Product
Liquid Product
Heating or Cooling
Feeds
Vapor Product
Liquid
Heat Stream
RCSTR FLASH2
P=0Q=0
Vapor
Liquid Product
FLASH2
P=0Q=0
RCSTR
Un Calculator block viene usato per tenere conto di differenze di T e P tra gli stadi superiore ed inferiore del reattore.
Una stima iniziale del ricircolo aiuterà la convergenza.
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 56
CSTR a 2 fasi con partizioni verticali
Feeds
Vapor Product
Liquid Product
Vapor Product
Liquid Product
RCSTR FLASH2
P=0Q=0
RCSTR
Feeds
Back-mixing non viene considerato in questo schema.
Back-mixing può essere modellato utilizzando un FSplit block e ricircolando al primo CSTR.
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 57
CSTR con scambiatore esterno
Feeds
Vapor Product
Liquid Product
Heating or Cooling
Feeds
Vapor Product
Liquid
Heat Stream
RCSTR FLASH2
P=0Q=0
Vapor and Liquid
Liquid Product
RPLUG FSPLIT
Lo scambiatore di calore è modellato usando un PFR: RPlug.
Una stima iniziale del ricircolo aiuterà la convergenza.
La portata di ricircolo è specificata dentro al blocco FSplit. Quando la portata di ricircolo è maggiore di quella di prodotto, il reattore deve essere modellato come un singolo CSTR.
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CSTR con zona morta
Feeds
Vapor Product
Liquid Product
Feeds
Vapor Product
Liquid
RCSTR FLASH2
P=0Q=0
Liquid Product
RPLUG
Un blocco Calculator viene usato per fissare la P nella zona morta basabndola sulla P del reattore. La P della zona morta deve essere maggiore della P nel reattore a causa del battente di liquido del reattore.
La zona morta è modellata con un PFR a fase singola.
Dead Zone
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 59
Back-Mixing in Reattore Plug Flow
Serie di CSTR
Il grado di back-mixing è caratterizzato dal numero di CSTRSe il numero di CSTR Aumenta, il reattore si comporta di più come un PFR, se il numero diminuisce si comporta come un CSTR singolo.Il volume di ciascun CSTR è fissato dal volume totale diviso per n.Approccio facile e veloce, ma non si può utilizzare alcune caratteristiche del PFR (come il trasferimento di calore).
Vapor Product
Liquid Product
RCSTR n
FLASH2
P=0Q=0
RCSTR 2
FeedsRCSTR 1
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 60
Back-Mixing in Reattore Plug Flow
Il grado di back-mixing è caratterizzato dal rapporto della portata di ricircolo sulla portata di produzione.Se il ricircolo tende a zero, il reattore tende al PFR. Se il ricircolo tende ad 1, il reattore tende al CSTR. Per ricircolo tendente ad 1, il flowsheet avrà serie difficoltà di convergenza.
Feeds
Vapor Product
Liquid
RPLUG FLASH2
P=0Q=0
Vapor and Liquid
Liquid Product
MIXER FSPLIT
Una stima iniziale del ricircolo aiuterà la convergenza.
Recycle Stream Approach
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 61
Back-Mixing in Reattore Plug Flow
La zona morta è caratterizzata dal suo tempo di residenza, che è determinato dal volume del PFR rappresentativo della zona morta e dalla portata alla zona morta.La temperatura del materiale nella zona morta viene posta più alta di quella della zona attiva per tenere conto di T alte alle pareti del recipiente.
Feeds
Liquid
FSPLIT RPLUG active zone
ProductRPLUG dead zone
MIXER
Una stima iniziale del ricircolo aiuterà la convergenza
Recycle Stream Approach
Feeds
Product
Dead Zone
Active Zone
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 62
Esercizio: reattori non ideali in Aspen+
Obbiettivo: Confronto di 3 reattori diversi PFR I. Flusso ideale – con diametro di 50.8 mm II. Channeling – utilizzato un blocco FSplit e Mixer per
dirottare 20% del flusso. Volume effettivo del PFR è 80% del totale, quindi si usa diametro di 45.44 mm
III. Volume morto – volume effettivo è 80%. Si usa un diametro di 45.44 mm
Prima parte: confronto dei profili di temperatura Utilizzo di un blocco Stream Duplicator (Dupl) per
copiare la carica ai tre reattori.
Seconda parte: confronto delle concentrazioni in uscita Utilizzo di una T costante di 460 F nei tre blocchi
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 63
Flowsheet
MIX1 PRODUCT1
CL2
C3H6
MIX
BYPASS
REACPROD
PRODUCT2
MIX2
TOREAC
MIX3
PRODUCT3
B1FMIX
B2MIX
B2SPLIT
B2
B3
DUPL
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 64
Dati di inputReazioni (in fase vapore):
CL2 + C3H6 --> C3H5CL + HCL k=1500000, n=0, E= 27200 Btu/lbmol
CL2 + C3H6 --> C3H6CL2k=90.46, n=0, E= 6860 Btu/lbmol
Input streams: CL2: 0.077 kmol/hr, 200 C, 2.027 bar C3H6: 0.308 kmol/hr, 200 C, 2.027 bar
Blocco reattore: PFR con T raff costante, 28.39132 W/m2 K, T raff 200 C, L=7.62 m,
1. D=0.0508 m 2. D= ?? (< D1) per simulare il chanelling3. Slipt fraction = 0.2; D=D2
Corso di Reattori Trieste, 11 April 2023 - slide 65
Esercizio: reattori non ideali in Aspen+
Parte A
Parte B